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电路板蓝牙设计的测试与品质认证(上)

发布时间 :2017-11-20 15:17 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
蓝牙技术完全可以替代缆线,对于产品经理和设计工程师而言,问题已经从‘何时开始实现蓝牙功能?’转向‘如何在设计中实现蓝牙功能?’蓝牙设计中有何陷阱?应该采用哪种最高效且最具成本效益的方法?对于那些缺乏无线设计经验的PCB设计人员而言,掌握蓝牙设计中测试与品质认证的策略很重要。
蓝牙是能工作在以下三种功率级下的短距离无线网路技术:功率级1(最高功率电平+20dBm,有效范围100m)、功率级2(最高功率电平+4dBm,有效范围20m)和功率级3(最高功率电平0dBm,有效范围10m)。
 
蓝牙版本V1.2要求的元件不仅能提供更好的介面保护,还能增强蓝牙产品与其他2.4GHz产品(WLAN、某些无线电话和微波炉)的共存性,而且能提供比先前版本更好的语音连接。大部份新功能应归功于自适应跳频(AFH)技术、增强的语音处理以及更快速的连接建立技术的导入。当然,蓝牙1.2版本产品应能后向相容1.1版本产品。
 
 
射频晶片与天线之间的蓝牙无线晶片
图1:射频晶片与天线之间的蓝牙无线晶片。
 
一旦PCB设计人员选择在产品中整合蓝牙技术,那么除了参看产品供应商提供的简单性能参数外,还需要考虑众多的实现问题。例如,如何在产品中使用测试脚本?产品采用嵌入式实现还是外接式实现?产品需要支援哪些作业系统?产品需要提供哪些性能或业务以满足应用需求?产品的封装设计是否支援嵌入式或外部天线?产品的生命周期多长?能衍生多少相关产品?
 
最高效的设计
最初的蓝牙设计由一系列分离的IC和支援电路组成并最终形成蓝牙模组。随着技术的进步,蓝牙设计的整合度不断增加,而外部元件则不断减少。因此,最新的模组化解决方案可以为PCB设计人员提供更为优化的蓝牙技术,该技术能显着降低设计风险,距离‘完美的蓝牙解决方案’又前进了一大步。
 
在设计中增加蓝牙功能需要考虑的主要问题是确认该模组或晶片集是否满足当前的蓝牙标淮V1.2并可继续升级。避免设计延迟的有效方法是选择不需要额外蓝牙认证或FCC/CE管理认证的产品。
 
PCB设计人员还必须选择性能领先且带有板上记忆体的蓝牙解决方案。这样,设计的生命周期将能延伸至未来几代产品中。选择性能适中的模组或许能在初期降低成本,但后续产品不得不重新进行全新设计。
 
利用4.7nH串联电感实现的最佳化调节电路
图2:利用4.7nH串联电感实现的最佳化调节电路。
 
除了期望的射频(RF)和基频功能,最新的蓝牙模组还能提供其他一些功能,如专用微控制器、天线和连接器整合以及板上快闪记忆体、电压调节器、滤波器和晶振。这些特性可以提供简化的设计、降低开发成本并缩短产品上市时间。
 
如果PCB设计人员不使用上述高度整合模组,那么他们必须非常严密地设计蓝牙电路板(PCB)。元件置放、追踪扫描、解藕、接地、屏蔽和电路板材料等都是影响性能的重要因素,尤其是产品的射频性能。如果使用预设计并获得预认证的模组,那么PCB设计人员将能规避这些问题,从而无须在最终设计中考虑上述因素。
 
产品开发问题
一旦PCB设计人员理解了产品的上述基本应用需求,那么还必须重点关注下面一些问题:功率耗散(这关系到电池的寿命)、现有产品设计中蓝牙电路的物理空间限制(蓝牙电路究竟占用多大的空间)以及传输速率限制和需求。例如,大多数蓝牙互联应用的速率都限制在732.2bps,这将影响产品的音讯品质。
 
下面列出了开发流程中至关重要的五项因素:
1.模组与晶片组
在PCB设计中直接采用晶片的好处是能节省控制板空间,但也仅此而已。单独的晶片或晶片组设计方法需要利用射频设计资源在发送和接收路径中提供滤波器、放大器、调节网路、振荡器、时脉和天线。而且,该方法还需要大量与设计认证和整合配套的测试设备。此外,除了需要大量的设计时间、射频专业技能和验证制程外,这种设计方法还必须获得蓝牙产品使用认证。
 
2.天线
大多数蓝牙手持设备均需要能以球状模式发射讯号并连接各个方向的天线。良好的天线设计对蓝牙产品至关重要,选择外部天线的设计必须考虑控制板空间、成本和天线模式。此外,附属元件、外壳、离地距离等因素也将对天线的终极性能产生重要影响。
 
如果选择不带天线的模组,那么PCB设计人员必须充分了解产品的使用环境。如果无线链路同天线之间的馈送不匹配,那么讯号将反射回电路,从而导致严重的讯号强度损耗。
 
 
零欧姆调节电路的回波损耗(第一个方案)和最佳化调节电路的回波损耗(第二个方案)。
图3:零欧姆调节电路的回波损耗(第一个方案)和最佳化调节电路的回波损耗(第二个方案)。
 
最近,市场上已经出现整合天线模组。如果PCB设计人员选择的模组带有整合至控制板的天线,那么实际上已经完成了重要的天线调节工作。如果选择不带天线的模组,那么PCB设计人员必须重新调节天线,而且解决方案必须通过蓝牙品质认证委员会(BQRB)的认证。


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